[論文レビュー] A lambda=3 mm molecular line survey of NGC1068. Chemical signatures of an AGN environment

R. Aladro, S. Viti+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 65被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、IRAM-30m望遠鏡を用いてNGC 1068の3 mm分子線サーベイを実施し、HC3N、SO、N2H+、CH3CNを含む24種類の分子種を、AGNとしてのNGC 1068で初めて検出。宇宙線とX線放射が支配する化学的に特徴的な環境であることが判明。星形成暴走の痕跡物質とされるH2CO や CH3CCHの同定が抑制されていることから、AGN核と星形成暴走核との間には根本的な化学的差異があることが強調される。

ABSTRACT

We aimed to study the molecular composition of the interstellar medium (ISM) surrounding an Active Galactic Nucleus (AGN), by making an inventory of molecular species and their abundances, as well as to establish a chemical differentiation between starburst galaxies and AGN. We used the IRAM-30 m telescope to observe the central 1.5-2 kpc region of NGC1068, covering the frequencies between 86.2 GHz and 115.6 GHz. Using Boltzmann diagrams, we calculated the column densities of the detected molecules. We used a chemical model to reproduce the abundances found in the AGN, to determine the origin of each detected species, and to test the influence of UV fields, cosmic rays, and shocks on the ISM. We identified 24 different molecular species and isotopologues, among which HC3N, SO, N2H+, CH3CN, NS, 13CN, and HN13C are detected for the first time in NGC1068. We obtained the upper limits to the isotopic ratios 12C/13C=49, 16O/18O=177 and 32S/34S=5. Our chemical models suggest that the chemistry in the nucleus of NGC1068 is strongly influenced by cosmic rays, although high values of both cosmic rays and far ultraviolet (FUV) radiation fields also explain well the observations. The gas in the nucleus of NGC1068 has a different chemical composition as compared to starburst galaxies. The distinct physical processes dominating galaxy nuclei (e.g. C-shocks, UV fields, X-rays, cosmic rays) leave clear imprints in the chemistry of the gas, which allow to characterise the nucleus activity by its molecular abundances.

研究の動機と目的

• NGC 1068の核における星間物質（ISM）の分子組成を特定すること。
• 分子の同定と比較を通じて、AGN環境と星形成暴走銀河とを化学的に区別すること。
• AGN核における化学反応を支配する主要な物理的プロセス（宇宙線、UV放射、衝撃波）を特定すること。
• 同素体比（12C/13C、16O/18O、32S/34S）を測定し、銀河の化学的進化に与える影響を評価すること。
• 極端な核環境における特定の物理的状態（例：PDR、高密度ガス）を示す分子種が、どれだけ信頼できるトレーサーとして機能するかを検証すること。

提案手法

• 86.2–115.6 GHzの周波数範囲で、IRAM-30m望遠鏡を用いてNGC 1068の中心1.5–2 kpc領域の3 mmスペクトル線サーベイを実施。
• 局所的熱力学的平衡（LTE）の仮定の下で、ボルツマン図を用いて検出された分子の核密度を導出。
• 宇宙線、UV放射、C-衝撃波の条件を変化させた化学モデルを適用し、検出された物質の生成・消失経路をシミュレート。
• 星形成暴走銀河（M 82およびNGC 253）と比較することで、分子の同定と比較を通じて化学的差異を特定。
• 光学的薄さの仮定に基づき、上限値と線強度比から同素体比（12C/13C、16O/18O、32S/34S）を計算。
• モデル出力と観測された線強度を比較することで、放射場と衝撃波が分子の同定に与える影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 1068の周核ISMに存在する分子種は何か？ また、星形成暴走銀河と比較してその同定はどの程度か？
• RQ2 宇宙線、UV放射、衝撃波といった物理的プロセスの中で、AGN環境における観測された分子化学に最も強く寄与しているのはどれか？
• RQ3 H2CO や CH3CCHといった主要な星形成暴走トレーサーが、高い分子量を有するNGC 1068に存在しないのはなぜか？
• RQ4 NGC 1068の同素体比（12C/13C、16O/18O、32S/34S）は、銀河中心部および星形成暴走銀河と比較してどのようになるか？
• RQ5 分子種がAGN環境における物理的状態（例：PDR、高密度ガス）を信頼できるトレーサーとして機能する範囲はどの程度か？

主な発見

• HC3N、SO、N2H+、CH3CN、NS、13CN、HN13Cを含む24種類の分子種および同位体体が検出され、NGC 1068で初めて同定された。
• M 82 や NGC 253 に多く存在する星形成暴走のトレーサーH2CO や CH3CCH はNGC 1068で検出されず、上限値から星形成暴走銀河と比較して少なくとも5–40倍以上同定が抑制されていることが示された。
• NGC 1068の12C/13C比は49であり、星形成暴走銀河および銀河中心部と比較して顕著に低く、異なる核合成歴史を示している。
• 16O/18O比は≥177、32S/34S比は5であり、いずれも星形成暴走銀河と比較して顕著に低く、化学的環境の差をさらに裏付けた。
• 化学モデルの結果、高い宇宙線イオン化率がNGC 1068におけるCN、SiO、N2H+、NS、HCNの同定の増加を最もよく説明している。
• C-衝撃波はC2H や H2CO の同定を説明できるが、大多数の検出された分子種を説明するために必要ではない。衝撃波は化学反応の主因ではない可能性が高い。